学术研究报告：硅灰石改良农田土壤固碳的安大略田间试验

作者及发表信息
本研究由加拿大圭尔夫大学（University of Guelph）工程学院的Fatima Haque、Rafael M. Santos和Yi Wai Chiang*（通讯作者）合作完成，发表于《International Journal of Greenhouse Gas Control》2020年第97卷。

学术背景
本研究属于环境工程与农业科学的交叉领域，聚焦于硅酸盐增强风化（silicate-enhanced weathering）技术对大气二氧化碳（CO₂）的封存潜力。全球农业用地占陆地面积的37%，传统石灰改良（liming）虽能调节土壤pH值，但无法直接固碳。硅灰石（wollastonite, CaSiO₃）作为一种富含钙的硅酸盐矿物，在风化过程中可通过化学反应将CO₂转化为稳定的土壤无机碳（soil inorganic carbon, SIC），即成土碳酸盐（pedogenic carbonates）。安大略省自2015年起已将硅灰石作为土壤改良剂商业化应用，但其实际固碳效率尚未量化。本研究旨在通过田间试验验证硅灰石改良农田的CO₂封存效果，并分析其对土壤矿物学和作物生长的影响。

研究流程与方法
1. 试验设计与采样
- 研究地点：安大略省三个商业化农场，分别种植叶菜（Field 1）、马铃薯（Field 2）和大豆（Field 3）。
- 处理方式：
- Field 1：连续三年施用粗颗粒硅灰石（1.24–2.5吨/公顷/年），对比不同施用次数的效果。
- Field 2：单次施用细颗粒硅灰石（1.24吨/公顷），与未施用区（对照）对比。
- Field 3：设置三种硅灰石施用量（1.5、2.5、5吨/公顷）与对照区，评估剂量效应。
- 采样方法：采用定向随机采样（directed random sampling）和复合随机采样，每个地块采集超100个土壤芯（深度15厘米），混合后冷藏保存。

1. 土壤分析

   • 理化性质：通过移液法（pipette method）测定土壤类型，Walkley-Black法测定有机质含量，pH值采用CaCl₂溶液（1:5）测定。
     
   • 无机碳含量：
     
     • 碳酸测定法（calcimetry）：土壤与盐酸反应释放CO₂，通过Eijkelkamp calcimeter测量气体体积，换算为SIC含量（公式4）。
       
     • 热重分析（TGA）：加热至500–800°C，通过质量损失估算碳酸钙含量。
       
   • 矿物学表征：
     
     • X射线衍射（XRD）：鉴定硅灰石风化产物（如方解石、蛋白石等）。
       
     • 扫描电镜-能谱（SEM-EDS）：观察土壤微观形貌及元素分布。
       

2. 数据统计

   • 采用单因素方差分析（Field 1）和配对t检验（Fields 2–3），显著性阈值p<0.05，使用IBM SPSS Statistics 26软件处理。
     

主要结果
1. 固碳效率
- Field 1：三年连续施用硅灰石的土壤SIC含量（2.99 g CO₂/kg土壤）是单次施用的2.6倍，相当于每年封存6.05吨CO₂/公顷。
- Field 2：细颗粒硅灰石处理5个月后，SIC比对照高89%（0.34 vs. 0.18 g CO₂/kg土壤），推测因粒径小、比表面积大（3.48 m²/g）加速风化。
- Field 3：最高施用量（5吨/公顷）使SIC增加63%，但灌溉不足导致固碳速率低于Field 2。

1. 矿物学证据

   • XRD显示硅灰石风化产物包括方解石（CaCO₃）和二氧化硅多晶型（如蛋白石），证实反应方程式（1–3）的化学路径。
     
   • SEM显示多次施用硅灰石的土壤结构更致密，可能与碳酸盐胶结作用有关。
     

2. 作物响应

   • 农民反馈：硅灰石改良区作物抗虫性增强（如马铃薯茎秆更健壮），大豆产量提高4.5–9.1%。
     

结论与价值
1. 科学意义
- 首次在区域尺度验证硅灰石改良农田的固碳潜力，为地球工程（geoengineering）提供实证支持。
- 阐明硅灰石风化速率受施用次数、粒径和灌溉条件影响，为模型优化提供参数。

1. 应用价值
   
   • 硅灰石兼具固碳与农业增效（如改善土壤结构、减少农药使用）的双重收益，每吨硅灰石净封存0.2吨CO₂，成本约240美元/吨CO₂。
     
   • 推动政策设计：加拿大碳税（2022年达50美元/吨CO₂）可部分抵消硅灰石施用成本。
     

研究亮点
1. 创新方法：结合田间试验与多尺度表征（XRD、SEM-EDS），首次量化硅灰石在商业化农场的实际固碳效率。
2. 跨学科贡献：将矿物碳化（mineral carbonation）技术从实验室扩展到农业实践，填补了硅酸盐风化在温带气候区的数据空白。
3. 实用性发现：提出连续施用粗/细颗粒硅灰石的优化方案，为农户提供可操作建议。

其他价值
研究还探讨了硅灰石中微量元素（如Mg、Ti）对土壤肥力的潜在影响，建议未来研究关注其长期生态效应与经济性平衡。